播種機(jī)單體仿形裝置高度探測(cè)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

張　博，張　偉

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶　163319)

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播種機(jī)單體仿形裝置高度探測(cè)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

張博，張偉

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶163319)

摘要：針對(duì)玉米精播機(jī)電液仿形地面高度信息探測(cè)機(jī)構(gòu)采集精度低、穩(wěn)定性差、容易受到地表雜物影響等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了玉米精播機(jī)電液仿形系統(tǒng)地面高度信息探測(cè)機(jī)構(gòu)，包括紅外地面信息采集組件和Arduino控制器程序。通過(guò)對(duì)紅外測(cè)距傳感器的性能研究及對(duì)玉米種植整地后的地面情況分析，確定了采用多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集的探測(cè)方案。試驗(yàn)結(jié)果表明：該機(jī)構(gòu)精度為1mm,可對(duì)采集到的地面高度變化信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理過(guò)濾，實(shí)現(xiàn)了避免非必要仿形的功能。該地面高度信息探測(cè)機(jī)構(gòu)的研究為電液式仿形系統(tǒng)地面高度變化系信息采集機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。

關(guān)鍵詞：玉米精播機(jī)；電液仿形；信息采集；數(shù)據(jù)處理；紅外線(xiàn)

0引言

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，保護(hù)性耕作的概念越發(fā)普及；但在保護(hù)性耕作的技術(shù)要求下，地表會(huì)有大量作物秸稈殘茬覆蓋，因此相比傳統(tǒng)耕作法耕后地面的起伏量較大、地面平整度差[1]，導(dǎo)致播種機(jī)在作業(yè)時(shí)保持播種深度一致變得更困難。播種深度是農(nóng)業(yè)技術(shù)嚴(yán)格要求的重要指標(biāo)之一[2]，過(guò)深容易導(dǎo)致出苗時(shí)間長(zhǎng)、生出的苗不壯等現(xiàn)象；而過(guò)淺會(huì)導(dǎo)致出苗率低、幼苗生長(zhǎng)不旺盛等現(xiàn)象[3]，進(jìn)而影響作物后期生長(zhǎng)和產(chǎn)量[4]。在玉米播種時(shí)，播種機(jī)的開(kāi)溝深度對(duì)播深有著直接的影響，因此控制開(kāi)溝深度是設(shè)計(jì)播種機(jī)關(guān)鍵點(diǎn)之一。

仿形機(jī)構(gòu)是使播種機(jī)開(kāi)溝器能隨地形變化而始終保持恒定的工作深度，并開(kāi)出深淺一致的種溝，以保證種子播深一致的控制機(jī)構(gòu)，是控制開(kāi)溝深度的重要手段。仿形機(jī)構(gòu)從結(jié)構(gòu)類(lèi)型上分主要有整體仿形和單體仿形。整體仿形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但在整個(gè)工作幅內(nèi)播深一致性較差，故大多數(shù)播種機(jī)采用整體仿形與單體仿形相結(jié)合的方式保證開(kāi)溝深度一致性[5-6]。現(xiàn)有的單體仿形從仿形形式上分為機(jī)械仿形和電液仿形。目前國(guó)內(nèi)多采用機(jī)械式仿形開(kāi)溝深度被動(dòng)調(diào)節(jié)方式，包括調(diào)節(jié)彈簧、平行四連桿或手動(dòng)調(diào)節(jié)仿形部件(如仿形輪、限深輪等)與開(kāi)溝器在豎直方向上的相對(duì)距離，實(shí)現(xiàn)單體仿形[7]；機(jī)械仿形由于仿形機(jī)構(gòu)的動(dòng)力來(lái)源是靠自身重力和地面支撐力，因此在作業(yè)地塊地面條件較差對(duì)仿形輪等支撐力不足時(shí)會(huì)造成開(kāi)溝深度過(guò)大的情況，仿形精度較差且地塊適應(yīng)性不好。國(guó)外開(kāi)溝深度調(diào)節(jié)方式除被動(dòng)調(diào)節(jié)方式外，還采用電液控制技術(shù)的主動(dòng)控制方式，實(shí)現(xiàn)開(kāi)溝深度的精確控制[8-10]。由于仿形的動(dòng)力來(lái)源來(lái)自仿形機(jī)構(gòu)自身的液壓系統(tǒng)，因此在土質(zhì)較為松軟的地塊仍可精確仿形。電液式仿形機(jī)構(gòu)由地面高度變化采集機(jī)構(gòu)、電子控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和開(kāi)溝深度控制機(jī)構(gòu)等機(jī)械結(jié)構(gòu)組成。地面高度變化采集機(jī)構(gòu)從信息采集方式上分接觸式和遙感式，接觸式的地面高度變化信息采集機(jī)構(gòu)有霍爾傳感器劃片式[11]及輕質(zhì)仿形輪位移傳感器式[12]等。工作方式都是通過(guò)仿形探測(cè)元件與地面接觸傳遞地面變化信息給電子傳感器。雖然其相比傳統(tǒng)的機(jī)械仿形輪的方式要精確很多，但在高速作業(yè)時(shí)由于地面起伏頻率較快會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)干擾，使仿形精度降低，而采用非接觸遙感地面信息采集的形式則可避免這一問(wèn)題。現(xiàn)有遙感式電液仿形機(jī)構(gòu)地面高度信息采集元件采用超聲波傳感器[13]及激光測(cè)距傳感器等形式。紅外線(xiàn)具有比超聲波傳播速度更快、傳播方向更好及發(fā)射功率可控性更強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)，且相比激光傳感器抗污能力更強(qiáng)，因此紅外測(cè)距傳感器作為地面高度變化的信息采集更為可靠。由于采用保護(hù)性耕的玉米作物種植需要秸稈殘茬還田，雖整地機(jī)械的玉米秸稈粉碎率可達(dá)到98.1%[14]，但實(shí)際耕作中仍有未打碎的秸稈裸露在地表，因此采用單一探測(cè)元件進(jìn)行地面高度信息采集有時(shí)并不準(zhǔn)確，會(huì)產(chǎn)生非必要仿形。

為此，設(shè)計(jì)了一種基于玉米播種機(jī)電液仿形控制系統(tǒng)的地面高度多點(diǎn)信息采集機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了在作業(yè)地面環(huán)境有雜物及地面環(huán)境較差的情況下的地面高度變化信息的采集，為電液式播種機(jī)仿形系統(tǒng)地面信息采集精準(zhǔn)度問(wèn)題提供了一種解決方法。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1機(jī)構(gòu)組成與技術(shù)參數(shù)

采用電液仿形控制系統(tǒng)的玉米精播機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該機(jī)主要由PLC 控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和開(kāi)溝深度控制機(jī)構(gòu)等組成。紅外地面高度信息采集機(jī)構(gòu)如圖2所示。該機(jī)構(gòu)由Arduino控制器、電子安裝板、紅外測(cè)距傳感器和電源組成。地面高度變化信息采集機(jī)構(gòu)上5個(gè)等距的紅外測(cè)距傳感器時(shí)時(shí)同步探測(cè)地面變化信息，中間的紅外傳感器為主探測(cè)器，主探測(cè)器和開(kāi)溝器在一條直線(xiàn)上與播種機(jī)工作前進(jìn)方向平行，兩側(cè)的4個(gè)為輔助紅外傳感器，各紅外傳感器與播種機(jī)前進(jìn)放行垂直等距安裝。機(jī)構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)為：響應(yīng)時(shí)間0.002s，探測(cè)頻率10Hz，精度為1mm，地表高度檢測(cè)量200mm。

1.行走輪　2.紅外地面高度信息采集機(jī)構(gòu)　3.開(kāi)溝器　4.液壓缸

1.電子安裝板　2.紅外測(cè)距傳感器

1.2工作原理

系統(tǒng)工作時(shí)，安裝在開(kāi)溝器與液壓控制機(jī)構(gòu)連接桿上的地面高度信息采集機(jī)構(gòu)隨田間起伏上下浮動(dòng)檢測(cè)地面高度；當(dāng)主探測(cè)器采集到地面高度變化時(shí)，將變化信息數(shù)據(jù)傳輸給Arduino控制器，Arduino控制器將接受到的數(shù)據(jù)與4組輔助探測(cè)器得到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，區(qū)分出主探測(cè)器所采集到的高度變化信息是由地面變化還是地表土塊或秸稈雜物引起的。由地面變化引起的仿形系統(tǒng)會(huì)按照主探測(cè)器所采集的信息進(jìn)行仿形，若是由地表雜物引起的，則該組數(shù)據(jù)進(jìn)行忽略處理，仿形系統(tǒng)不工作。

2紅外地面高度變化信息采集機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)整地后地面情況相關(guān)資料進(jìn)行查閱，根據(jù)玉米播種實(shí)際情況計(jì)算出紅外地面高度變化信息采集機(jī)構(gòu)各紅外測(cè)距傳感器的安裝位置，并對(duì)地面變化及雜物對(duì)紅外地面高度變化信息采集機(jī)構(gòu)采集信息產(chǎn)生影響的各種情況進(jìn)研究，得到信息處理過(guò)濾的方案，根據(jù)方案完成內(nèi)部運(yùn)算程序的編輯。

2.1紅外測(cè)距傳感器的安裝位置設(shè)計(jì)

紅外測(cè)距傳感器是采用三角測(cè)距原理(見(jiàn)圖3)來(lái)測(cè)量傳感器到被測(cè)物體的距離的。因?yàn)椴捎萌菧y(cè)距原理，所以該傳感器測(cè)量掃描的范圍不是一個(gè)面而是一個(gè)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)整地的耕地土塊最大直徑小于5cm，玉米經(jīng)過(guò)收獲、秸稈粉碎及整地后仍會(huì)有玉米根莖留在耕地中。玉米根莖殘茬尺寸為10～25cm，因此每個(gè)測(cè)距傳感器最小距離應(yīng)大于5cm，最大探測(cè)面應(yīng)大于25cm，才能大大降低地面土塊和雜物對(duì)地面高度信息采集組件的干擾。以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了紅外地面高度變化信息采集機(jī)構(gòu)，每個(gè)紅外探測(cè)元件的距離為7cm，由5個(gè)探測(cè)原件組成，探測(cè)面幅28cm。

圖3　三角測(cè)距原理

2.2機(jī)構(gòu)安裝高度設(shè)計(jì)

選用GP2D12夏普紅外測(cè)距傳感器，量程為20～80cm,通過(guò)距離測(cè)量試驗(yàn)得距離變化時(shí)該傳感器的電壓變化曲線(xiàn)，如圖4所示。由圖4可以看出：測(cè)量范圍在20～50cm范圍內(nèi)時(shí)，輸出電壓的變化量均勻。因此，測(cè)距元件最高精度測(cè)量范圍值為20～50cm，從而確立地面信息采集系統(tǒng)離地安裝高度35cm。

圖4　傳感器探測(cè)距離與輸出電壓信號(hào)關(guān)系

2.3各紅外傳感器工作關(guān)系分析

當(dāng)?shù)孛嬗须s物時(shí)，紅外探測(cè)器會(huì)產(chǎn)生電壓變化，紅外探測(cè)器的理論精度可達(dá)0.01mm，因此需要設(shè)置各輔助探測(cè)器與主探測(cè)器間的合理差值。電液仿形系統(tǒng)的精度達(dá)到1cm就符合要求，因此合理差值為5mm。當(dāng)輔助探測(cè)器與主探測(cè)器間的探測(cè)差值小于或等于5mm時(shí)，系統(tǒng)按照主探測(cè)器的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行仿形。當(dāng)?shù)孛娓叨壬呋蚪档蜁r(shí)，5個(gè)探測(cè)器會(huì)同時(shí)檢測(cè)到地面高度變化，且各探測(cè)器的差值小于5mm，此時(shí)會(huì)按照主探測(cè)器的數(shù)值進(jìn)行仿形。如果輔助探測(cè)器檢測(cè)到地面變化而主探測(cè)器未檢測(cè)到地面變化，說(shuō)明開(kāi)溝器兩側(cè)地面升高或有雜物；但開(kāi)溝器開(kāi)溝的地面高度并無(wú)變化，因此不進(jìn)行地面仿形。為滿(mǎn)足仿形探測(cè)要求，該紅外地面高度變化信息采集機(jī)構(gòu)當(dāng)主探測(cè)器探測(cè)到地面變化時(shí)，會(huì)時(shí)時(shí)與輔助探測(cè)器進(jìn)行對(duì)比分析，當(dāng)所有輔助探測(cè)器都探測(cè)到地面變化信息時(shí)，進(jìn)行仿形工作。

2.4程序編輯

該紅外地面高度變化信息采集機(jī)構(gòu)是運(yùn)用在電液仿形控制系統(tǒng)中由控制器進(jìn)行控制，因此該機(jī)構(gòu)在運(yùn)行前需要設(shè)定與地面的距離。當(dāng)距離變化時(shí)，該機(jī)構(gòu)會(huì)計(jì)算控制開(kāi)溝器與地面的相對(duì)位置使其回到預(yù)先設(shè)定的距離值。因此，滿(mǎn)足該功能的程序如下：

int i;

int val;

int redpin=0;

void setup()

{

pinMode(redpin,OUTPUT);

Serial.begin(9600);

}

void loop()

{

i=analogRead(redpin);

val=(6762/(i-9))-4;

Serial.println(val);

}

3試驗(yàn)

3.1距離測(cè)量精度測(cè)試驗(yàn)

將程序?qū)階rduino，連接紅外探測(cè)組件，將紅外地面高度變化信息采集機(jī)構(gòu)安裝在電子位移傳感器上。在電子位移傳感器測(cè)量值20～80cm的范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)紅外測(cè)距傳感器與反光板的距離，比對(duì)該機(jī)構(gòu)測(cè)量的數(shù)值與電子位移傳感器所測(cè)量的數(shù)值如表1所示。通過(guò)與電子位移傳感器比較可知：兩者差值小于等于1mm，精度可達(dá)到1mm，因此該機(jī)構(gòu)探測(cè)精度滿(mǎn)足地面信息采集精度要求。

表1　紅外測(cè)距傳感器測(cè)量精度

3.2雜物分辨試驗(yàn)

3.2.1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方法

根據(jù)整地后玉米秸稈殘茬及雜物尺寸分別選取長(zhǎng)度為10、15、20、25cm的玉米秸稈進(jìn)行試驗(yàn)，玉米秸稈粉碎不完全的秸稈長(zhǎng)度為10～25cm，因此制作寬度大于25cm的地面高度變化的試驗(yàn)地塊。將紅外地面高度變化信息采集機(jī)構(gòu)固定在與測(cè)量面35cm處，玉米秸稈放于主探測(cè)器下方，與紅外傳感器組重合。在試驗(yàn)地塊將Arduino控制器輸出控制端連接電腦，從電腦上讀取Arduino控制器計(jì)算后的仿形命令輸出情況。

運(yùn)行程序后，將4組秸稈分次放置于機(jī)構(gòu)下方，調(diào)整木棒位置分別為紅外傳感器的左端、右端、中間，讀取電腦上顯示根據(jù)采集到的信息Arduino控制器是否能夠合理輸出仿形命令，如表1所示。

表2　Arduino不同情況下的仿形決策

3.2.2試驗(yàn)結(jié)果分析

由表2可以看出：當(dāng)4種不同長(zhǎng)度的玉米秸稈以4組位置出現(xiàn)在紅外探測(cè)組件探測(cè)區(qū)域時(shí)，紅外探測(cè)組件將采集到的高度變化信息值傳輸給Arduino控制器進(jìn)行運(yùn)算分析，經(jīng)過(guò)運(yùn)算得出的12組數(shù)據(jù)變化都是由玉米秸稈產(chǎn)生的而不是地面的高度變化。因此，程序認(rèn)定主探測(cè)器探測(cè)到的高度變化信息值不生效，未輸出仿形控制命令。當(dāng)紅外探測(cè)組件在試驗(yàn)地塊進(jìn)行探測(cè)時(shí)，探測(cè)組件采集到的地面高度變化信息傳輸給Arduino控制器，根據(jù)程序運(yùn)算認(rèn)定該組高度變化信號(hào)是由地面高度變化引起的，則按照主探測(cè)器探測(cè)到的地面高度變化信息輸出仿形控制信號(hào)，可有效地避免非必要仿形。

3.3紅外地面高度變化信息采集機(jī)構(gòu)響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)

紅外地面高度變化信息采集機(jī)構(gòu)響應(yīng)時(shí)間是指從紅外探測(cè)組件采集到地面高度變化信息開(kāi)始到Arduino控制器運(yùn)算信息后輸出控制信號(hào)為止所經(jīng)歷的時(shí)間。用電腦模擬紅外測(cè)距傳感元件的電壓信號(hào)信息傳輸給Arduino控制器，并將Arduino控制器仿形控制命令輸出端口與電腦連接，電腦可發(fā)射紅外測(cè)距傳感元件模擬信號(hào)和接受仿形控制命令信號(hào)。

在電腦上運(yùn)行Arduino控制器編程軟件VisualStudio，設(shè)置軟件內(nèi)部刷新計(jì)時(shí)器在輸入紅外探測(cè)模擬信號(hào)時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，每秒1 000個(gè)計(jì)時(shí)點(diǎn)；輸入模擬信號(hào)，導(dǎo)出軟件日志，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)20個(gè)計(jì)時(shí)點(diǎn)后收到Arduino控制器反饋回的仿形命令信號(hào)。經(jīng)過(guò)3組模擬信號(hào)測(cè)試表明：都是經(jīng)過(guò)20個(gè)計(jì)時(shí)點(diǎn)后收到反饋信號(hào)，因此該紅外地面高度變化信息采集機(jī)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)間為0.02s。

4結(jié)論

設(shè)計(jì)了電液式玉米精播機(jī)電液仿形機(jī)構(gòu)地面探測(cè)裝置，該機(jī)構(gòu)具有響應(yīng)時(shí)間短、測(cè)量精度高、能夠避免非必要仿形的特點(diǎn)，降低了由于耕作地塊未粉碎完全的玉米秸稈和地表雜物對(duì)非接觸式地面高度信息采集機(jī)構(gòu)的影響，提高了地面高度變化信息采集的準(zhǔn)確性，為玉米精播機(jī)開(kāi)溝深度控制系統(tǒng)地面探測(cè)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了參考。

1)紅外地面高度變化信息采集機(jī)構(gòu)響應(yīng)時(shí)間為0.02s，精度1mm,提高了采集地面信息的精度。

2)紅外地面高度變化信息采集機(jī)構(gòu)可對(duì)探測(cè)的地面高度信息進(jìn)行計(jì)算分析后輸出仿形命令，避免了非必要仿形。

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Sowing Depth Planter Monomer Height Control Device Changes the Design of the Detection Institutions

Zhang Bo, Zhang Wei

(Heilongjiang Bayi Agricultural university Faculty of Engineering, Daqing 163319, China)

Abstract：On corn precison planter liquid height contour height information detection information collection, low precision, poor stability, easily affected by the surface debris and other issues, this paper designed the maize pure mechanical and electrical hydraulic profiling system ground height information detection institutions, institutions include infrared ground information collecting component and the Arduino program controller.Through the study on the performance of the infrared distance sensor, and the situation analysis of the surface of corn after soil preparation, determine the detection scheme using multi-point data acquisition.Experimental results show that the accuracy of 1 mm, can change the information on the height of the collected data for processing filter, realized the function of avoiding unnecessary profiling.The height information detection research of electro-hydraulic profiling system ground height change information collection mechanism design provides reference.

Key words：corn precision planter; electro-hydraulic profiling; information acquisition; the data processing; infrared ray

文章編號(hào)：1003-188X(2016)06-0176-05

中圖分類(lèi)號(hào)：S232.2；S220.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：張博(1990-)，男，黑龍江大慶人，碩士研究生，(E-mail) zbxiha@163.com。通訊作者：張偉(1968-)，男，遼寧大連人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)zhang66wei@126.com。

基金項(xiàng)目：黑龍江省高校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)計(jì)劃項(xiàng)目(2014TD010)

收稿日期：2015-07-23